CN109475975B

CN109475975B - 用于激光加工材料的装置和方法

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Publication number: CN109475975B
Application number: CN201780045160.XA
Authority: CN
Inventors: A·玛丽诺斯奇; C·A·科德麦德; M·N·泽瓦斯; P·M·哈里森; M·格林伍德
Original assignee: Tongkuai Laser Uk Ltd
Current assignee: Tongkuai Laser Uk Ltd
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2037-08-03
Also published as: EP3493941A1; KR20190035807A; CN113878244A; JP2019531190A; JP7068272B2; US20190262949A1; KR102369852B1; WO2018025005A1; CN109475975A

Abstract

用于激光加工材料(11)的装置(10)，该装置包括激光器(1)和光束传输电缆(2)，其中：激光器(1)被连接到光束传输电缆(2)；光束传输电缆(2)被配置为传输从激光器(1)发射的激光辐射(13)，并且激光辐射(13)由光束参数乘积(4)限定；并且装置(10)的特征在于：装置(10)包括至少一个挤压机构(5)，该挤压机构(5)包括由间距(7)限定的周期性表面(6)；构成激光器(1)和/或光束传输电缆(2)的一部分的一段(8)光纤(9)被定位成毗邻周期性表面(6)；并且挤压机构(5)被配置为用挤压力(12)一起挤压该周期性表面(6)和该段(8)光纤(9)；由此，能够通过调节挤压力(12)来改变光束参数乘积(4)。

Description

用于激光加工材料的装置和方法

发明领域

本发明涉及用于激光加工材料的装置和方法。

发明背景

经由加工头将激光束引导到工件上来实现钢的激光切割，该加工头具有用于准直和聚焦激光束的光学器件和锥形铜喷嘴以提供与光束同轴的高压气体喷流。基本的切割操作包括：激光束加热并熔化钣金工件，以及被称为辅助气体喷射的气体喷射将熔融材料吹出切割区的底部。切割头在钣金件上方移动，同时在喷嘴尖头和工件表面之间保持恒定距离。切割头在编程路径中移动，以产生所需的钣金件轮廓。

在切割不锈钢的情况下，通常使用惰性辅助气体。这避免了在工件的切边面上产生金属氧化物，这在使用金属部件时会引起问题。由于这种切割工艺的唯一热源是由聚焦激光束提供的，因此具有较高能量密度的较小焦斑尺寸将通过产生较窄的熔融区域来提供更高效的切割。使用低发散度是有利的，使得熔融区域通过金属的厚度而变窄。对最小实际焦斑的限制由光学景深连同材料厚度确定。这是因为切割宽度(切口)必须足够宽，以允许辅助气体以足够的压力行进到切口的底部，以干净地去除熔融材料并避免下切割边缘的熔渣，从而产生干净的切口。对于这种类型的切割，辅助气体必须以通常在10至20巴的范围内的高压来施加。喷嘴出口的直径通常在0.5mm至2.0mm的范围内，并且通常较厚的材料需要较大的喷嘴。

在切割厚度大于5mm的软钢(也被称为低碳钢)的情况下，通常使用氧气作为辅助气体，其与工件内的铁发生放热反应以提供额外的热量来加快切割速度。这通常在与用于氮气辅助气体切割的压力相比要低得多的0.25巴至1巴的范围内的压力下被应用。对于通常在10mm至30mm厚度范围内的厚型材切割，切口必须足够宽，以便氧气辅助气体能够以足够的气流到达切割区域的底部以喷射熔融材料，同时保持无熔渣切口。对于厚的软钢切割，通常使光束散焦，使得束腰位于钣金件表面上方，以使钣金件表面上的入射束直径大于束腰。当光束的发散度增加时，能够获得具有较低边缘粗糙度的更好质量的切口。

大多数通用平板激光切割机都需要切割必须都具有良好质量的各种厚度的一系列金属。焦斑尺寸的选择通常是满足广泛的工艺条件所需的要求的折衷。对于切割薄不锈钢，需要具有低发散度的小焦斑，而对于切割厚软钢，需要具有更高发散度的更大的焦斑。这种平板切割机被设计以用于具有固定光束质量的激光器。为了提高加工能力，切割头可具有增强光学系统，从而首先使聚焦透镜沿光束路径有限移动以允许激光束相对于工件的散焦，这能够增加入射光斑尺寸，并且其次允许调节焦斑直径。这具有有限的益处，因为具有恒定激光束质量的激光器在焦斑尺寸和发散度之间会具有固定关系，其以与切割工艺方式所期望的相反的方式起作用。

不同的切割方式要求具有低发散度的小光斑或具有高发散度的大光斑，而固定光束质量激光器能够提供具有高发散度的小光斑和具有窄发散度的大光斑。因此，不可能针对所有金属类型和厚度来优化工艺参数。

诸如焊接、打标和增材制造的其他材料加工装备存在类似的限制。在所有这些应用领域中，需要一种激光加工装置，其中能够改变激光的光束参数乘积，并且能够改变被加工材料上的聚焦激光束的直径。

本发明的目的是提供一种用于激光加工材料的装置和方法，其减少了上述问题。

本发明：

根据本发明的一个非限制性实施例，提供了用于激光加工材料的装置，该装置包括激光器和光束传输电缆，其中：

·激光器被连接到光束传输电缆；

·光束传输电缆被配置为传输从激光器发射的激光辐射；以及

·激光辐射由光束参数乘积限定；

并且该装置的特征在于：

·该装置包括至少一个挤压机构，该挤压机构包括由间距(pitch)限定的周期性表面；

·形成激光器和/或光束传输电缆一部分的一段光纤被定位成毗邻周期性表面；以及

·该挤压机构被配置为用挤压力一起挤压该周期性表面和该段光纤；

由此，能够通过调节挤压力来改变光束参数乘积。

通过选择光纤并通过改变挤压力，使典型工业激光器的光束参数乘积在0.3mm.mrad至30mm.mrad的范围内调节是可能的。有利地，可通过改变挤压力来控制沿光纤传播的激光辐射的光束半径和有效数值孔径两者。调节或切换激光辐射的输出光束轮廓也是可能的，例如从钟形高斯光束轮廓到礼帽光束轮廓或环形轮廓；这对于许多激光切割应用来说是非常合乎需要的。本发明在优化诸如切割的材料工艺方面允许更大的自由度。能够针对每种钣金件类型和厚度优化焦斑尺寸和发散度。该装置能够被设置为产生用于冲孔金属和用于切割不锈钢的、具有高光束质量(低光束参数乘积)的激光辐射以及用于切割较厚的软钢的、具有低光束质量(较高光束参数乘积)的激光辐射。在前一种情况下，当聚焦在材料上时，激光辐射的直径与后者相比应该更小并且发散度更低。

周期性表面可以是啁啾的。单调地或以非单调的方式沿着挤压机构的长度改变间距，能够减少获得所需的光束参数乘积或输出光束轮廓所需的挤压力的量，从而提高可靠性。

挤压机构可包括被布置成彼此成一角度的至少两个周期性表面。周期性表面可具有相同的间距。该角度可以是直角。该角度可以是60度。挤压机构可使得周期性表面中的一个能够以与另一个周期性表面不同的挤压力被挤压在光纤上。周期性表面的空间相位可被配置为使得当挤压力被施加到周期性表面时，光纤大体上以螺旋方式形变。挤压力可使得光纤能够以小于1N的力被拉动穿过周期性表面，从而导致提高的机械可靠性。

该装置可包括多个挤压机构。具有多于一个的挤压机构减少了每个挤压机构上所需的挤压力，从而提高了可靠性。

挤压机构中的至少一个可具有与另一个挤压机构不同的间距。不同的间距使得光纤中的不同导模组之间能够耦合。组合具有不同间距的挤压机构提供了对输出光束参数乘积和输出光束轮廓的更大控制。

挤压机构可以是线性挤压机构。如果空间非常宝贵，这是有利的。

挤压机构可包括圆柱。光纤可被缠绕在圆柱上。可沿着圆柱的轴线施加挤压力。这提供了紧凑的布置，使得在更长的一段光纤上施加挤压力比用线性挤压机构更方便，并且允许使用多于一匝的光纤。这使得更小的挤压力能够被施加，从而提高长期可靠性。当被挤压时，圆柱还有助于减少光纤中的光学损耗。

间距可沿圆柱的半径或周长变化。这使得啁啾长周期光栅能够被制造。

光纤可具有至少10μm直径的纤芯。该直径可以是至少15μm。该直径可以是至少50μm。

光纤可包括具有小于或等于100μm外径的玻璃。外径可小于或等于80μm。在现有技术下，用于激光加工材料的装备中的光纤的玻璃直径超过125μm。减小直径使得光纤能够更容易形变。减小直径还使得0.5mm或更低的间距被获得，从而能够在具有更大传播常数差异的模式之间进行耦合。因此，较小的玻璃直径提供了优于现有技术的有用优点。

间距可小于或等于8mm。间距可小于或等于6mm。间距可小于或等于5mm。间距可在0.5mm到4mm的范围内。

光纤可包括支持具有传播常数β₁的第一光模和具有传播常数β₂的第二光模的纤芯，并且当挤压力被施加时，间距被选择以将第一光模耦合到第二光模。间距可等于2π/(β₁–β₂)。挤压机构可使光纤沿其长度变形，该变形可由对称性限定，并且该对称性可被选择以使得其将第一光模耦合到第二光模。挤压机构可被配置为使得光纤的输出能够通过改变挤压力而从第一光模被切换到第二光模。

光纤可包括支持具有传播常数β₁的第一光模的一个纤芯和支持具有传播常数β₂的第二光模的至少一个卫星纤芯，并且间距被选择以将第一光模耦合到第二光模。可存在围绕着纤芯的至少两个卫星纤芯。可存在围绕着纤芯的至少四个卫星纤芯。卫星纤芯可以是环形纤芯。间距可等于2π/(β₁–β₂)。挤压机构可使光纤沿其长度变形。该变形可由对称性限定，并且该对称性可被选择以使得第一光模能够耦合到第二光模。

该装置可包括过渡光纤，该过渡光纤包括一个中心纤芯和至少一个卫星纤芯。卫星纤芯可被配置为与在第二光模中传播的激光辐射的光束直径的扩大成不同比例地扩大在第一光模中传播的激光辐射的光束直径。可有至少四个卫星纤芯。卫星纤芯可以是环形纤芯。

该装置可包括含有中心纤芯的光束传输光纤，该光束传输光纤包括一个输出端，从该输出端发射激光辐射。光束传输光纤可包括基座。光束传输光纤可包括围绕中心纤芯的环形纤芯。该装置可包括锥体，其中锥体使得中心纤芯的直径向着输出端增加。该装置可包括两个挤压机构。第二挤压机构可具有由间距限定的周期性表面，并且第二挤压机构的周期性表面可以被应用于光束传输光纤。第二挤压机构的间距可大于第一挤压机构的间距。

光束传输光纤可支持具有传播常数β₁的基模和具有传播常数β₂的二阶光模，并且第二挤压机构的间距长于2π/(β₁–β₂)，并且从而该第二挤压机构不将基模和二阶模耦合在一起。

第二挤压机构的间距可被选择以耦合能够在光束传输光纤中一起传播的更高阶模，从而产生更均匀的输出光束轮廓。

该装置可包括透镜系统，该透镜系统被定位成接收来自光束传输电缆的激光辐射。该透镜系统可使得材料上焦斑的直径能够被改变。

挤压机构可包括致动器。

该装置可包括计算机，并且其中透镜系统和致动器中的至少一个由计算机控制。该计算机可包括存储器，该存储器包括关于材料参数的信息。优选地，存储器包括使透镜系统和/或致动器信号能够取决于材料参数被选择的信息，所述材料参数可包括材料类型及其厚度。这是本发明特别有用的方面，因为它允许通过控制透镜系统和去往致动器的信号来控制激光辐射的发散度和焦斑的直径。因此，本发明允许取决于被加工的材料在广泛的激光器加工参数范围内自动调谐相对昂贵的工业激光器。

使用多于一个的挤压机构简化了激光辐射参数的自动控制。另外，在具有不同引导特性的光纤上使用不同的挤压机构改善了能够被应用的控制范围。

该装置可包括被配置为从光纤接收激光辐射的加工头。

该装置可包括第一光纤和第二光纤，第一光纤具有第一纤芯直径，第二光纤具有比第一直径大的第二纤芯直径。第二光纤可位于加工头和第一光纤之间。第一挤压机构可被应用于第一光纤，第二挤压机构可被应用于第二光纤，从而在使用中，在第一光纤中传播的激光辐射的光斑尺寸可利用第一挤压机构被改变，并且激光辐射的轮廓可利用第二挤压机构被改变。这种配置使得光束参数乘积能够在很大程度上独立于输出光束轮廓被控制。能够实现具有相同输出光束轮廓的不同光束参数乘积。因此，例如，使用该装置输出具有4到100之间的光束参数乘积的礼帽光束轮廓是可能的。

该装置可包括附接到光束传输电缆或构成光束传输电缆的一部分的振动元件。该振动元件可被配置为使光束传输电缆振动。这对于从激光辐射中去除激光散斑是有利的。该振动元件可以是压电元件或电磁元件。

本发明还提供一种用于激光加工材料的方法，该方法包括提供激光器和光束传输电缆，其中光束传输电缆被配置为传输来自激光器的激光辐射，并且激光辐射由光束参数乘积限定；该装置包括至少一个挤压机构，该挤压机构包括由间距限定的周期性表面；构成激光器和/或光束传输电缆的一部分的一段光纤被定位成毗邻该周期性表面；并且该挤压机构被配置为用挤压力一起挤压周期性表面和该段光纤；并且调节挤压力以改变光束参数乘积。

该方法可包括提供透镜系统并且定位透镜系统以接收来自光束传输电缆的激光辐射的步骤。

该透镜系统可使得材料上焦斑的直径能够被改变，并且该方法可包括改变材料上焦斑的直径。

在本发明的方法中，挤压机构可包括致动器。

该方法可包括提供计算机，以及通过计算机控制透镜系统和致动器中的至少一个的步骤。该计算机可包括存储器，该存储器包括关于材料参数的信息。

附图简述

现在仅通过示例并且参照附图描述本发明的各实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的用于激光加工材料的装置；

图2示出了具有啁啾周期性表面的挤压机构；

图3示出了包括彼此成直角的两个周期性表面的挤压机构，该挤压机构使得光纤能够螺旋式形变；

图4示出了包括相对于彼此成60度的三个周期性表面的挤压机构；

图5示出了图4的三个周期性表面之间的空间相位；

图6示出了具有第二周期性表面的挤压机构；

图7示出了组装在一起的图6的挤压机构；

图8示出了圆柱形式的挤压机构；

图9示出了具有均匀间距的挤压表面；

图10示出了具有啁啾间距的挤压表面；

图11示出了光纤的基模和二阶模的有效折射率；

图12示出了光纤的基模；

图13示出了光纤的二阶模；

图14示出了具有卫星纤芯的光纤；

图15示出了图14的光纤的光模；

图16示出了具有围绕中心纤芯的环形纤芯的光纤；

图17示出了环形纤芯的二阶模；

图18示出了基座光纤；

图19示出了具有围绕中心纤芯的环形纤芯的光纤；

图20示出了本发明的一个示例，其中该装置包括第一光纤、第二光纤和第三光纤，并且能够通过向挤压机构施加挤压力使由第三光纤引导的激光辐射的直径在13μm到100μm内切换；

图21示出了本发明的一个示例，其中该装置包括第一光纤和第二光纤，并且能够通过向挤压机构施加挤压力使由第二光纤引导的激光辐射的直径在13μm到100μm内切换；以及

图22示出了本发明的一个示例，其中该装置包括第一光纤、第二光纤和第三光纤，并且由第三光纤发射的激光辐射的输出光束轮廓能够从具有50μm的光束直径的中心光束被切换到具有100μm的光束直径的环形光束。

优选实施例

图1示出了用于激光加工材料11的装置10，该装置包括激光器1和光束传输电缆2，其中：

·激光器1被连接到光束传输电缆2；

·光束传输电缆2被配置为传输激光器1发射的激光辐射13；以及

·激光辐射13由光束参数乘积4限定；

并且该装置10的特征在于：

·该装置10包括至少一个挤压机构5，该挤压机构包括由间距7限定的周期性表面6；

·构成激光器1和/或光束传输电缆2的一部分的一段8光纤9被定位成毗邻周期性表面6；以及

·挤压机构5被配置为用挤压力12一起挤压该周期性表面6和该段8光纤9；

由此，光束参数乘积4能够通过调节挤压力12被改变。

间距7是周期性表面6的连续的最大值之间的距离，并且是周期性表面6的周期性或空间频率的倒数。周期性表面6可以是由单个部件制成的连续周期性表面，诸如图1中所示的周期性表面6。或者，周期性表面6可包括多个部件，诸如组装在一起的线或指状物。线或指状物可以是可调节的，使得间距7是可调节的。

图1示出了光学耦合到透镜系统24，加工头3和聚焦透镜25的装置10。透镜系统24可包括用于准直和/或放大激光辐射13的一个或多个透镜。加工头3可包括用于在材料11上扫描激光辐射13的一个或多个扫描系统。聚焦透镜25可将激光辐射13聚焦到材料11上的焦点29处。

光束参数乘积4等于聚焦激光辐射13的光束直径2ω21的一半与发散度α22的乘积。光束参数乘积4是激光束的光束质量的量度，其还可由其M²的值来表征。光束参数乘积4等于M².λ/π，其中λ是激光辐射13的波长23。单模光纤激光器通常具有大约1.1的M²。如果波长23是1.06μm，则光束参数乘积4等于0.35mm.mrad。激光束的光束参数乘积4在包括没有像差的透镜的简单光学系统中被保持。因此，焦点29处的光束参数乘积4与在激光辐射13从光束传输电缆2的输出端28(从其发射激光辐射13)出现时的光束参数乘积34大致相同。焦点29处的光束直径21大体上等于光束传输电缆2的输出端28处的光束直径27与包括透镜系统24和聚焦透镜25的光学系统的放大倍数的乘积。激光辐射13的发散度22大体上等于从光束传输电缆2的输出端28发射的激光辐射13的发散度35与光学系统的放大倍数的商。因此，如果光束直径21大于光束直径27，则发散度22小于发散度35。

激光辐射13沿光纤9、光纤19(如果存在)和光束传输电缆2被引导。激光辐射13具有可由挤压机构5调节或切换的引导光束轮廓38和引导光束直径39。因此，如图1所示，在激光器1的输出处被描绘为近似高斯光束轮廓的引导光束轮廓38已被调节为变成被描绘为具有礼帽光束轮廓的输出光束轮廓14。输出光束直径27被示出为大于引导光束直径39。

通过选择光纤9和挤压机构5，并通过改变挤压力12，在0.3mm.mrad至30mm.mrad的范围内调节典型工业激光器的光束参数乘积4是可能的。有利地，光束直径27和发散度35都能通过选择挤压力12来被控制。调节或切换激光辐射13的输出光束轮廓14也是可能的，例如从诸如图1中所示的引导光束轮廓38的钟形高斯光束轮廓到礼帽光束轮廓(诸如图1中所示的输出光束轮廓14)或到环形轮廓。调节或切换输出光束轮廓14的能力对于许多激光切割应用是非常合乎需要的。能够改变输出光束轮廓14在许多激光材料加工应用中是合乎需要的。例如，高斯轮廓可有利于冲孔材料11，并且礼帽轮廓或环形轮廓可有利于切割材料11。不同的输出光束轮廓14对于不同的应用是有利的，并且最佳的输出光束轮廓将取决于材料11及其厚度26。

透镜系统24可包括准直光学元件，可变扩束器和/或望远镜。透镜系统24可被配置为改变在材料11上聚焦激光辐射13的直径21。挤压机构5结合透镜系统24的使用使得激光辐射13的发散度22和激光辐射13的光束直径21能够独立地被改变。这是一个极具吸引力的特征，该特征允许该装置提供具有小直径21的高光束质量(M²<4)，具有中等光束直径21的中等光束质量(M²在10和20之间)，以及具有大光束直径21的低光束质量(M²大于30)。此外，产生具有中等光束质量或低光束质量的小光束直径21，以及具有低光束质量或高光束质量的中等光束直径21是可能的。这种灵活度在优化诸如切割的材料工艺方面允许大得多的自由度。焦斑尺寸和发散度可针对每种钣金件类型和厚度被优化。该装置可被设置成产生具有用于切割不锈钢的高光束质量(低光束参数乘积4)，以及用于切割具有厚度26的软钢的低光束质量(较高光束参数乘积4)的激光辐射13。在前一种情况下，当聚焦在材料11上时，激光辐射13的光束直径21应该比在后一种情况下更小并且具有更低的发散度。

本发明有利于用激光切割金属。激光器1可以是光纤激光器，盘形激光器或固态激光器。激光器1可由500W至20kW范围内的输出功率限定。

在一实验中，激光器1是3kW掺镱光纤激光器。波长23是1.07μm。材料11是不锈钢。聚焦光束直径21是200μm，且输出光束轮廓14是礼帽轮廓。当切割厚度26在2mm至8mm范围内的不锈钢时，以大约3.0mm.mrad的光束参数乘积4获得了比大约4.8mm.mrad的光束参数乘积4更高的切割速度和更好的切割质量。相反，当材料11是具有在15mm至30mm范围内的厚度26的软钢时，以大约4.8mm.mrad的光束参数乘积4获得了比3.0mm.mrad的光束参数乘积4更好的结果。输出轮廓14是礼帽轮廓。用于软钢的较低光束质量(较高光束参数乘积4)改善了切边面的质量，降低了表面粗糙度。

激光切割工艺开始于用激光束13冲孔材料11。有利的是在冲孔时与在切割时相比在焦点29处使用具有更低发散度22的更小光束直径21。输出轮廓14优选地是诸如高斯轮廓的钟形轮廓。这提高了冲孔的质量和速度。当冲孔所有金属时，光束参数乘积4应小于3mm.mrad，优选地小于1mm.mrad，且更优选地小于0.5mm.mrad。

能够选择在光束传输电缆2的输出端28处发射的光束直径27，发散度35和输出光束轮廓14的优点使不同的光束直径21和发散角22能够在可在材料11上方、材料11内部或材料11下方的焦点29处被选择。例如，对于不锈钢，焦点29可在材料11下方，使得激光辐射13在材料11处会聚，而对于软钢，焦点29可在材料11上方，使得激光辐射在材料11处发散。能够通过调节机构5中的一个或多个来实现这一点是相对于现有技术的主要优点，因为它提供了比包括调节聚焦光学元件的放大倍数的替代方案更低的成本和更简单的系统。

冲孔后，辅助气体将熔融金属和碎屑吹出冲孔出口。在这个阶段，光束直径28和发散度35可被增加以在焦点29处提供最佳光束直径21和发散角22。产生的光束参数乘积4可取决于正被加工的材料11被选择。

挤压机构5优选地具有相对的周期性表面42。周期性表面6和相对的周期性表面42优选地相对于彼此同相，如图1所示。因此，当周期性表面6和相对的周期性表面42抵靠光纤9被挤压时，光纤9充当弹簧并沿其长度周期性地弯曲，使得光纤9的应变能最小化。光纤9的弯曲将具有与周期性表面6相同的间距7，但是可在比周期性表面6的周期性更高的空间频率处包括额外的谐波。随着挤压力12增加，光纤9的弯曲也增加，直到光纤9被夹紧在周期性表面6和相对的周期性表面42之间。挤压力12的进一步增加将引起穿过光纤9的挤压应力。

周期性表面6和相对的周期性表面42可相对于彼此具有非零相位。这种设计可将额外的谐波引入光纤9的变形，这可引起由光纤9支持的附加光模组之间的耦合。

周期性表面6和相对的周期性表面42之间的相位可以是反相的，使得光纤9被夹紧在周期性表面6和相对的周期性表面42之间。然后模耦合由光弹效应引起的周期扰动引起。

图1中的装置示出为具有第二挤压机构15，第二挤压机构15包括由间距17限定的周期性表面16。周期性表面16可抵靠一段18光纤19被挤压。第二挤压机构15的使用可减小获得所需光束直径27，发散度35和输出光束轮廓14所需的挤压力12，从而降低了光纤9断裂的风险，以及提高了机械可靠性。第二挤压机构15还可被用于将高阶光模耦合在一起，在这种情况下，间距17优选地比间距7长。

如图1所示，周期性表面16可以是啁啾的，也就是说，其间距17可沿着挤压机构15的长度变化。间距17可以以单调方式(如图所示)或非单调方式变化。啁啾减小了获得期望的光束参数乘积4或输出光束轮廓14所需的挤压力12的量，从而提高了可靠性。图2示出了啁啾的挤压机构15的示例。挤压机构15具有相对的周期性表面41，并且光纤19(未示出)在周期性表面16和相对的周期性表面41之间被挤压。挤压力12可经由可以是螺纹孔的至少一个孔43被施加。可使用穿过至少一个孔44安装的固定螺钉将相对的周期性表面41固定就位。

周期性表面16和相对的周期性表面41优选地相对于彼此同相，如图1所示。因此，当周期性表面16和相对的周期性表面41抵靠光纤19被挤压时，参照图1所示，光纤19充当弹簧并沿其长度弯曲，使得光纤19的应变能最小化。弯曲将具有与周期性表面16相同的间距17，但是可包括将由光纤19引导的附加模耦合在一起所期望的额外的谐波。随着挤压力12增加，光纤19的弯曲也增加，直到光纤19被夹紧在周期性表面16和相对的周期性表面41之间。挤压力12的进一步增加将引起穿过光纤19的进一步的挤压应力。或者，周期性表面16和相对的周期性表面41可相对于彼此具有非零相位。这样的设计可将额外的谐波引入光纤19的变形中，这可引起由光纤19支持的附加光模组之间的耦合。周期性表面16和相对的周期性表面41之间的相位可以是反相的，使得光纤19被夹紧在周期性表面16和相对的周期性表面41之间。然后模耦合由光弹效应引起的周期扰动引起。

挤压机构5可包括被布置成彼此成角度45的两个周期性表面6，如图3中示出的挤压机构40中所示。每个周期性表面6具有相同或相似设计的相对的周期性表面42。如参照图1和图2所述，周期性表面6可具有与它们各自相对的周期性表面42相同的相位。当每个周期性表面6抵靠光纤9被挤压时，该段光纤9充当弹簧，且沿其长度变形。挤压机构40的周期性表面6可具有彼此相同的间距7或彼此不同的间距7。角度45可以是直角。挤压机构40以横截面示出，其中光纤9被示出为与挤压机构40的中心线偏移达一个周期性表面6。

挤压机构40可使得每个周期性表面6能够以不同的挤压力12抵靠光纤9被挤压。两个周期性表面6的空间相位可相对于彼此90度异相，使得当挤压力12被施加到该两个周期性表面6时，光纤9可以以大体上螺旋的方式形变。如参照图1和图2所述，光纤9将充当弹簧，并且形变以便最小化其应变能。因此，光纤9的形变可能不是精确的螺旋形，而是可能包含谐波。这些谐波在由光纤9引导的某些光模组之间的耦合中可以是有利的。这种布置对光纤9的哪些导模被耦合到哪些导模提供了很大控制。

挤压机构5可包括被布置成彼此成角度51的奇数个周期性表面6，如图4中示出的挤压机构50所示。角度51优选地是180度和(n-2)/n的乘积，其中n是周期性表面6的数量。如参照图5所示，周期性表面6优选地具有相对于彼此的相对空间相位55，该相对空间相位55等于360度除以周期性表面6的数量。奇数个数优选为3，且角度51优选为60度。图5示出了沿着挤压机构50的长度的图4中所示的三个周期性表面6中的每一个的幅值52、53、54。周期性表面6具有相对于彼此120度的相对空间相位55。当周期性表面6中的每一个抵靠光纤9被挤压时，该段光纤9充当弹簧并且沿其长度以大体上螺旋的方式变形。如参照图1、2和3所述，光纤9将充当弹簧，并且形变以便最小化其应变能。因此，光纤9沿其长度的形变可能不是精确的螺旋形，而是可能包含螺旋周期性(被定义为间距7的倒数)的谐波。这些谐波在由光纤9引导的某些光模组之间的耦合中可以是有利的。

挤压机构5可以是参照图6所示的挤压机构60，该挤压机构60包括至少三个部件66，部件66具有被设计成与另一个部件66的周期性表面6对齐的第二周期性表面61。如参照图4和图5所述，三个周期性表面6优选地具有相对于彼此120度的相对空间相位55。为了使部件66被装配在一起，部件66中的每一个部件的第二周期性表面61相对于同一部件66的周期性表面6具有120度的相对空间相位55。图7示出了一种布置，其中三个部件66已经被装配在一起，并且挤压力12被施加。光纤9被示出为按部件66中的一个弯曲。将部件66装配在一起的其他布置也是可能的，包括其中第二周期性表面61中的一个抵靠光纤9被挤压。实验上，已经观察到，由光纤9引导的LP₀₁模可被优选地耦合到LP₃₁和LP₃₂模。这可能是由于挤压机构50的三重对称的原因。有利地，为达成来自由光纤9引导的基模LP₀₁的类似模耦合水平，参照图3至图7所述的挤压机构40、50、60中的挤压力需要远小于参照图2所示的挤压机构15的挤压力12。在实验中，挤压力12足够小，以使光纤9可以用小于1N的力从图7中所示的挤压机构中被拉动，尽管存在大量的模耦合。减小为达成相同模耦合水平的挤压力12的能力提高了可靠性。

该装置可包括多个挤压机构5。包括多个挤压机构能够减少挤压机构5的每一个上所需的挤压力12，从而提高可靠性。

挤压机构5中的至少一个可具有与挤压机构5中的另一个不同的间距7。不同的间距7引起光纤9中的不同导模组之间的耦合。组合具有不同间距7的挤压机构5提供了对输出光束参数乘积4和输出光束轮廓14的更大的控制。

挤压机构5可以是诸如参照图1至4、6和7所示的线性挤压机构5。如果空间非常宝贵，这是有利的。

挤压机构5可包括如图8所示的圆柱81。光纤9(未示出)可被缠绕在圆柱81上。挤压力12可沿圆柱81的轴线被施加，例如通过用环82挤压光纤9。环82被示出为具有相对的周期性表面42，但不一定必须如此。间距7可以是均匀的或啁啾式的，分别如图9和图10中周期性表面6的示例的顶面所示，其中每个周期由线83示出。周期性表面6可被配置在如图8所示的平面中或在曲面上。圆柱81可以是圆形或椭圆形。其他形状也是可能的。间距7可沿圆柱81的周长85的半径84变化。这使得啁啾式长周期光栅能够被制造。

圆柱81形式的挤压机构5提供了紧凑的布置，使得在较长一段8光纤9上施加挤压力12比用线性挤压机构5更方便，并且允许使用多于一匝的光纤9。这使得更小的挤压力12能够被施加，从而提高长期可靠性。当被挤压时，它还有助于减少光纤9中的光学损耗。

光纤9和/或光纤19可以是参照图11所示的光纤90。光纤90具有纤芯91，玻璃包层94和聚合物涂层95。纤芯91优选地具有至少10μm的直径92。直径92可以是至少15μm。直径92可以是至少50μm。增加纤芯直径92使得光纤90能够引导越来越多的光模。

纤芯91具有大于玻璃包层94的折射率99的折射率96。优选地，光纤9至少支持参照图12所示的基模121和参照图13所示的二阶模122。基模121可以是以两个正交偏振态发生的LP₀₁模。二阶模122可以是可在两个方向上发生的LP₁₁模，其中两者可以以两个正交偏振态发生。因此，存在两个基模121和四个二阶模122，分别如图12和13所示。

LP₀₁和LP₁₁模被更概括地描述为LP_p,q模，其中p是方位角模数，q是径向模数。2p是围绕方位角的波瓣数，并且q是沿半径的波瓣数。因此，LP₀₁模围绕方位角具有零波瓣，并且沿半径具有一个波瓣。LP₁₁模围绕方位角具有两个波瓣，并且沿半径具有一个波瓣。如果由挤压机构5引起的光纤9的扰动,第一模的电场和第二模的电场的乘积的重叠积分在该段8光纤9上积分为非零值，则挤压机构5将第一模耦合到第二模。如下所述，这对第一模和第二模的传播常数以及周期性表面7的周期性提出了要求。它还对第一模和第二模的电场与光纤的扰动相比的对称性，提出了要求。

参照图11，基模121具有β₁/k的有效折射率97，而二阶模122具有β₂/k的有效折射率98，其中β₁和β₂分别是基模121和二阶模122的传播常数，且k是按k＝2π/λ与激光辐射13的波长λ23有关的波数。考虑传播常数的差异Δβ＝β₁–β₂是有用的。为了使参照图1至图7所示的挤压机构5将LP₀₁模耦合到LP₁₁模，需要存在等于Δβ/2π的在光纤9沿其长度的变形中的空间频率分量。如果周期性(被定义为间距7的倒数)等于Δβ/2π，或者周期性的谐波等于Δβ/2π，则会发生这种情况。然而，考虑光纤9与光模相比的扰动的对称性也是重要的。

如果p不为零，那么由光纤9的纤芯引导的每个LP_p,q模的电场的方位角依赖性可以表示如下：

E(r,θ)＝E(r).cos(pθ)

E(r,θ)＝E(r).sin(pθ)

其中E(r)是电场的径向依赖性，而cos(pθ)和sin(pθ)代表图13(对于p＝1)所示的两个方向。

当光纤9或光纤19具有沿其长度的(例如由诸如其中间距7沿长度8是统一的图1和图2所示的线性挤压机构引起的)线性正弦弯曲时，则通过对称性考虑，当间距7等于2π/Δβ时，这两个方向中只有一个将被耦合。这假设图13中的二阶模122是简并的。更普遍地，如果p是奇整数，且间距7等于2π/(β_A–β_B)，则由纤芯引导的LP₀₁模可耦合到由相同纤芯引导的LP_p,q模，其中β_A和β_B是被耦合在一起的光模的传播常数。然而，除非在正弦弯曲中存在显著的谐波，否则到LP₁₁模的耦合将是最强的。如果p是偶整数，则扰动的对称性是不正确的。通过类似的对称性论证，如果光纤具有沿其长度的正弦弯曲，则线性挤压机构也不会将LP₀₁模耦合到LP_0q模。如下所述，由中心纤芯引导的LP₀₁模和其他光模也可耦合到由与中心纤芯毗邻的卫星纤芯引导的光模。如果上文提到的重叠积分不为零，则会发生这种耦合。

如果周期性表面6和相对的周期性表面42处于反相(与图1中所示的同相布置相反)，则光纤9将沿其长度被周期性地压缩。然后模耦合将通过光弹效应被引起。通过对称性考虑，LP₀₁模不会耦合到LP₁₁模，因为对称性不正确。然而，如果间距7等于2π/(β_A–β_B)，其中β_A和β_B是被耦合在一起的光模的传播常数，则LP₀₁模能够耦合到LP₂₁模，或更一般地耦合到LP_p,q模，其中p＝2、4、8等。然而，这种布置通常不是优选的，因为获得可感知的模耦合所需的挤压力12通常远大于当周期性表面6和相对的周期性表面42如图1所示同相时所需的挤压力12。

当光纤9或光纤19具有(例如由图3、4、6和7中所示的挤压机构之一引起的)螺旋变形时，则当间距7等于2π/Δβ时，LP₀₁模可通过对称性论证在两个方向上耦合到LP_p,q模。然而，如果p是偶整数，则LP₀₁模不会耦合，或者LP₀₁模不会耦合到LP_0q模。因此，由图3、4、6和7中所示的挤压机构提供的模耦合量至少是由图1和图2中所示的挤压机构提供的模耦合量的两倍。如参照图5所讨论的，挤压机构60包括使光纤90形变成螺旋形的三个部件60。观察到LP₀₁模耦合到LP₃₁和LP₃₂模。这意味着存在为耦合提供所需的对称性的由挤压机构60引起的沿光纤90的三重方位角扰动。

如之前那样，如果机构40、50和60的周期性表面6和相对的周期性表面42反相，使得光纤9沿其长度被周期性地压缩，则模耦合是在不同的光模组之间。从对称性考虑，LP₀₁模将耦合到LP_0q模。这种布置通常不是优选的，因为它为了相当的效果需要更大的挤压力12。

一旦从LP₀₁模耦合，光能够更容易地耦合或散射到其他更高阶模，因为(i)这些模式之间的传播常数的差异Δβ通常小于LP₀₁模与其耦合到的第一模之间的传播常数的差异Δβ，以及(ii)在统计上，光纤9中将存在在比周期性更长的空间频率下发生的扰动。

因此，参照图3、4、6和7所示的其中光纤9以螺旋的方式扰动的螺旋挤压机构30、40、50、60是有利的，因为它与参照图1和图2所示的线性挤压机构相比将更多的模式取向耦合在一起，并且进一步地，提供耦合所需的挤压力12以及由此光纤9的最大弯曲更小，这导致被施加到光纤9的更小的应力以及因此更高的可靠性。实验上，已经观察到光纤9能够被以小于1N的拉力从诸如图7所示的螺旋挤压机构拉动。在螺旋挤压机构和线性挤压机构在光纤9中引起类似水平的模耦合的情况下，这远小于从诸如图2所示的线性挤压机构拉动光纤9所需的拉力。因此，较小的挤压力12被施加到螺旋挤压机构中的光纤，意味着更高的机械可靠性。

如图14所示，光纤9和光纤19可具有与纤芯91毗邻的至少一个卫星纤芯141。光纤140具有围绕纤芯91对称地间隔的四个卫星纤芯141。每个卫星纤芯141可具有折射率142和直径143，使得参照图15所示的其光模151具有与参照图11和图13所示的二阶模122的有效折射率β₂/k 98大体上相同的有效折射率143。然后，光模151将谐振耦合到二阶模122。谐振耦合由图15中的双端箭头指示。因此，参照图1、2、3、4、6和7所示的挤压机构5可被配置为将纤芯91的LP₀₁模耦合到纤芯91的LP₁₁模，然后所述纤芯91的LP₁₁模将耦合到卫星纤芯141的光模151。可选地或另外地，如果参照图1、2、3、4、6和7所示的挤压机构5被应用于光纤140，则挤压力12可被选择，诸如以引起从LP₀₁基模121到卫星纤芯141的光模151的直接耦合，即使纤芯91的设计使得纤芯91不支持二阶LP₁₁模122。根据前面的讨论，如果光纤9以线性方式正弦变形，则耦合将只在一个方位角方向上是最强的。如果以螺旋方式变形，则耦合将在所有方位角方向上发生。有利地，卫星纤芯141的包含使得激光辐射13能够从纤芯91被耦合到卫星纤芯141，从而在激光辐射13沿光纤9传播时增大激光辐射13的引导光束直径39。

如图16所示，光纤9和光纤19可以是具有围绕纤芯91的环形纤芯161的光纤160。环形纤芯161可具有折射率162和厚度164，使得参照图17所示的其二阶模171具有与参照图11和图13所示的二阶模122的有效折射率β₂/k98大体上相同的有效折射率163。如果纤芯91的二阶模122被发射到光纤160中，则二阶模122将谐振耦合到二阶模171。可选地或另外地，如果参照图1、2、3、4、6和7所示的挤压机构5被应用于光纤160，则挤压力12可被选择，诸如以引起从LP₀₁基模121到环形纤芯161的光模171的直接耦合，即使纤芯91的设计使得纤芯91不支持二阶LP₁₁模122。根据前面的讨论，如果光纤9以线性方式正弦变形，则耦合将只在一个方位角方向上是最强的。如果以螺旋方式变形，则耦合将在所有方位角方向上发生。有利地，环形纤芯161的包含使得激光辐射13能够经由二阶LP₁₁模式122被直接或间接地从纤芯91耦合到环形纤芯161，从而在激光辐射13沿光纤9传播时增大激光辐射13的引导光束直径39。

参照图11、14和16，玻璃包层94可具有在70μm和500μm之间的直径93。直径93可在70μm和200μm之间。直径93优选地小于或等于125μm。直径93更优选地小于或等于80μm。减小直径93使得光纤9能够更容易形变。减小直径93还使得0.5mm或更低的间距7能够被获得，从而能够在具有更大传播常数差异的模式之间进行耦合。因此，较小的玻璃直径93与较小的间距7相结合提供了优于现有技术的有用优点。

参照图1至图4，以及图6至图10，间距7可小于12mm。间距7可小于5mm。间距7可在0.5mm至5mm的范围内。

参照图1，光纤9或光纤19(如果存在的话)被耦合到光束传输电缆2。光束传输电缆2可包括参照图18所示的光纤180。光纤180具有纤芯181，该纤芯181具有直径182和折射率183。光纤180还包括具有直径185和折射率186的基座184。直径182和185以及折射率183和186可被选择以保持在光纤9或光纤19(如果存在的话)的纤芯91中传播的激光辐射13的比例。因此，例如，如果光纤180被拼接到图14的光纤140，则直径182可被选择为大体上等于直径92，并且直径185可被选择为大体上等于或大于外边缘到外边缘的距离149。折射率186可被选择为大体上等于或高于折射率142。折射率183可被选择为大体上等于折射率142加上折射率96和99的差。因此，从光纤140的纤芯91被耦合到卫星纤芯141中的一个或多个的激光辐射13可被耦合到光纤180的基座184中并沿着光束传输电缆2被传播。

光束传输电缆2可包括参照图19所示的光纤190。光纤190具有纤芯191，该纤芯191具有直径192和折射率193。光纤190还包括具有直径195、折射率196、以及厚度199的环形纤芯194。直径192和195、厚度199、以及折射率193和196被选择以保持在光纤9或光纤19(如果存在的话)的纤芯91中传播的激光辐射13的比例。因此，例如，如果光纤190被拼接到图16的光纤160，则直径192可被选择为大体上等于直径92，厚度199可被选择为大体上等于厚度164，并且直径195可被选择为大体上等于直径169。折射率196可被选择为大体上等于或高于折射率162。折射率193可被选择为大体上等于折射率96。因此，从光纤160的纤芯91被耦合到环形纤芯161中的激光辐射13可被耦合到光纤190的环形纤芯194中并沿着光束传输电缆2被传播。

再次参照图1，挤压机构5可包括至少一个致动器31。致动器31可包括电动机和/或电磁铁。致动器可包括棘轮。电信号的应用可被用于经由致动器31提供挤压力12。

装置10可包括计算机32。透镜系统24和致动器31中的至少一个可由计算机32控制。计算机32可包括存储器33，该存储器33包括关于材料参数的信息。优选地，存储器33包含使驱动透镜系统24和/或至少一个致动器31的信号能够取决于材料11的参数被选择的信息。参数可包括材料的类型及其厚度26。这是本发明特别有用的方面，因为它允许通过控制透镜系统24和去往致动器31的信号来控制激光辐射13的发散度22和聚焦激光辐射13的直径21。因此，本发明允许取决于被加工的材料在广泛的激光器1加工参数范围内自动调谐相对昂贵的工业激光器1。

示例1

图20示出本发明的第一示例。图1中所示的挤压机构5被应用于图11的第一光纤90。纤芯91支持图12的基模121和图13的二阶模122。基模121在纤芯91中传播，如在点A处的第一光纤90上方和下方所指示的。纤芯91具有15μm量级的直径92和比包层折射率99大0.0034的折射率96。挤压机构5具有与光模121和122的有效折射率97和98的差异相匹配的间距7，使得间距7＝2π/Δβ。通过调节由挤压机构5施加的挤压力12，由第一光纤90输出的激光辐射13可在如分别在图20的B点处第一光纤90的上方和下方指示的基模121和二阶模122之间切换。在基模121和二阶模122的组合之间切换也是可能的。这些组合在图20中未被示出。

第一光纤90被拼接到图14所示的第二光纤140。第二光纤140的中心纤芯91具有与第一光纤90的纤芯91相同的设计。四个卫星芯141具有6.6μm的直径143，与中心纤芯91的折射率96相同的折射率142，以及36.6μm的外边缘到外边缘的距离149。当挤压机构5被调节使得第一光纤90的输出是基模121时，基模121成功地耦合到第二光纤140的纤芯91，并且沿着第二光纤140传播而没有耦合到其他更高阶的光模。因此，第二光纤140发射在图20中的点C处光纤140上方所示的基模121。当挤压机构5被调节使得第一光纤90的输出是二阶模122时，二阶模122被转换为图15中所示的在第二光纤140的输出端从卫星纤芯141输出的(诸)光模151。光模151在图20中的点C处第二光纤140的下方被示出。因此，第二光纤140被用作过渡光纤，以与在二阶光模122中传播的激光辐射13的引导光束直径39的扩大成不同比例地扩大在基础光模121中传播的激光辐射13的引导光束直径39。

第二光纤140的输出被拼接到图18的第三光纤180。第三光纤180是光束传输光纤。第三光纤180的纤芯181具有与第一光纤90的纤芯91相同的直径92。纤芯折射率183和基座折射率186之间的差异为0.0034。基座184具有100um的直径185，并且基座折射率186与包层折射率99之间的差异为0.014。当挤压机构5被调节以选择第一光纤90中的基模121时，第三光纤180的输出具有13μm的输出光束直径27，以及约1.1的光束质量M²的值。这对应于近似高斯的输出光束轮廓14和大约0.37mm.mrad的光束参数乘积4。当挤压机构5被调节以选择第一光纤90中的二阶模122时，激光辐射13主要在第三光纤180的基座184中作为许多更高阶模组合(未单独示出)的激光束2001被引导。激光束2001具有约100μm的输出光束直径27，以及约12的光束质量M²因子。这对应于近似礼帽的输出光束轮廓14和约4mm.mrad的光束参数乘积4。

观察到激光束2001不具有稳定的输出光束轮廓14。因此，参照图2所示的第二挤压机构15被应用于第三光纤180。第二挤压机构15的间距17比挤压机构5的间距7更长，因为期望耦合沿具有更近间隔的有效折射率(未示出)的第三光纤180传播的更高阶光模。第二挤压机构15的使用确保了大约15的光束质量M²因子，以及功率在基座186的区域内的均匀分布。光束参数乘积4约为5。如图20所示，然后可以通过选择被施加到挤压机构5的挤压力12将从光纤180发射的激光辐射13从具有13μm的输出光束直径27和0.37mm.mrad的光束参数乘积的高斯轮廓的输出光束轮廓14切换到约为礼帽并具有约100μm的输出光束直径27和5mm.mrad的光束参数乘积4的输出光束轮廓14。高斯轮廓通常优选地被用于在切割之前用激光束13冲孔材料11。礼帽轮廓通常优选地被用于用激光束3切割材料11。

示例2

图21示出了本发明的第二示例，其中第一示例的第一光纤90已由光纤140代替。图1中所示的挤压机构5被应用于图14中所示的光纤140。纤芯91具有约15μm的直径92和比包层折射率99大0.0034的折射率96。纤芯91可支持具有有效折射率97的基模121。四个卫星纤芯141各自具有6.6μm的直径143，比包层折射率99大0.003的折射率142，以及36.6μm的外边缘到外边缘的距离149。卫星纤芯141可传播具有有效折射率143的(诸)模式151。挤压机构5具有被设计成与有效折射率97和143的差异相匹配的间距7，使得间距7＝2π/Δβ。如图21所示，通过调节由挤压机构5施加的挤压力12，可以在光纤140的输出处选择基模121或光模151。

光纤140的输出端被拼接到图18的光纤180，其参数具有与示例1中的第三光纤相同的特性。当挤压机构5被调节以选择光纤140中的基模121时，光纤180的输出端大体上处于基模121。当挤压机构5被调节以选择光纤140中的光模151时，激光辐射13主要在光纤180的基座184中被引导，并且具有约100um的输出光束直径27，以及对应于约4mm.mrad的光束参数乘积4的约12的光束质量M²因子。如示例1中所述，参照图2所示的挤压机构15被应用于光纤180，以便稳定光纤180的输出端28处的输出光束轮廓14。如图21所示，然后可以通过选择被施加到挤压机构5的挤压力12将从光纤180发射的激光辐射13从具有13μm的输出光束直径27和0.37mm.mrad的光束参数乘积的高斯轮廓切换到具有约100μm的输出光束直径27和5mm.mrad的光束参数乘积4的近似礼帽的轮廓。

示例3

图22示出了本发明的第三示例，其中第一示例的第二光纤140已由图16的第二光纤160代替，并且第一示例的第三光纤180已由参照图19所述的第三光纤190代替。第一光纤90的设计与参照第一示例和图20所述的相同。

第一光纤90被拼接到图16所示的第二光纤160。第二光纤160的中心纤芯91与第一光纤90的纤芯91的设计相同。环形纤芯161具有40μm的外径169，5μm的厚度164，以及比包层折射率99大0.0026的折射率162。当挤压机构5被调节使得第一光纤90的输出是基模121时，基模121成功地耦合到第二光纤160的纤芯91，并且沿着第二光纤160传播而没有耦合到其他更高阶的光模。当挤压机构5被调节使得第一光纤90的输出是二阶模122时，二阶模122被转换为图17中所示的在第二光纤160的输出端从环形纤芯161输出的(诸)光模171。

图19的第三光纤190的纤芯191具有50μm的直径192。纤芯折射率193比基座折射率99大0.014。环形纤芯194具有100μm的外径195，20μm的厚度199，以及比包层折射率99大0.014的折射率196。纤芯直径192比第二光纤160的纤芯直径92大大约2.5倍。因此，必须以约2.5的锥度比使第三光纤锥体化，使得第二光纤160和第三光纤190在第三光纤190的输入端221处的相应横向尺寸相匹配。

当挤压机构5被调节以选择第一光纤90中的基模121时，第三光纤180的输出具有50μm的输出光束直径27，以及对应于约1.35mm.mrad的光束参数乘积的约4的光束质量M²的值。当挤压机构5被调节以选择第一光纤90中的二阶模122时，激光辐射13在第三光纤190的外纤芯194中被引导，并且具有约100um的输出光束直径27，以及对应于约4mm.mrad的光束参数乘积4的约12的光束质量M²因子。

参照图2所示的第二挤压机构15被应用于第三光纤190。第二挤压机构15的间距17比挤压机构5的间距7更长，因为期望耦合沿具有更近间隔的有效折射率(未示出)的光纤190传播的更高阶光模。通过调节挤压力12来调节第二挤压机构15。当通过向挤压机构5施加挤压力12在第一光纤90的输出处选择基模121时，在第三光纤190的输出处的激光束13具有对应于约2.36mm.mrad的光束参数乘积14的约7的光束质量M²因子。激光辐射13近似均匀地分布在纤芯191中。当二阶模122在第一光纤90的输出处被选择时，第三光纤190的输出端28处的光束质量M²因子约为15，其对应于约5mm.mrad的光束参数乘积4。光功率近似均匀地分布在环形纤芯194内。当通过调节被施加到挤压机构5的挤压力12在第一光纤90中选择基模121和二阶模122的组合时，可实现总功率在纤芯191和环形纤芯194之间在约0％和约100％之间的任意相对分布。如图22所示，然后可以通过选择被施加到挤压机构5的挤压力12将从光纤190发射的激光辐射13从具有50μm的输出光束直径27和2.36mm.mrad的光束参数乘积的近似礼帽的轮廓14切换到具有约100μm的输出光束直径27和5mm.mrad的光束参数乘积4的近似礼帽的环形轮廓14。对于用激光束13切割材料11，具有礼帽环形轮廓的输出光束轮廓14通常相对于具有礼帽轮廓或钟形高斯光束轮廓的输出光束轮廓14是优选的。应该注意的是，如果期望从钟形高斯轮廓(M²～1.1)切换到礼帽环形轮廓，则锥体225可被设计成使其绝热，使得基模121无模耦合的沿光纤90、光纤160、锥体255和光纤190传播。

示例1和2都使用光纤180和第二机构15。然而，如果期望将从装置10发射的激光辐射13从基模121和卫星纤芯141的模151切换，则可以省略这些。这对于其中需要多个紧密间隔的光束的某些焊接应用是有利的。

示例1-3中使用的挤压机构5和挤压机构15是参照图1和图2所述的线性变化。挤压机构5和挤压机构15中的任一个或两个可由参照图3至图10所述的挤压机构代替。优选地，挤压机构5和挤压机构15是参照图3至图7所述的螺旋挤压机构。这种挤压机构使较低的挤压力12能够被施加以达成相同量的模式转换，并且从而提高可靠性。这种挤压机构还耦合所有取向的光模，并因此减少有时在输出光束轮廓14中看到的热斑的形成。当在诸如基模121和二阶模122的两个定义的光模之间耦合时，均匀的间距7或17是优选的。当在各种光模之间耦合时，诸如当第二挤压机构15被应用于示例1至示例3中的光纤180和光纤190时，啁啾式间距7或17是优选的。优选地，间距7或17在各种更高阶光模之间耦合时比在基模121和二阶模122之间耦合时更长。

使用多于一个的挤压机构5简化了激光辐射13的参数的自动控制。光束发散度22，直径21和模轮廓14可被控制。另外，在光纤9上使用具有不同引导特性的不同挤压机构5改善了能够被应用的控制范围。例如，光纤9和光纤19各自可以是图11的光纤90。光纤90的直径93可以是75μm，使间距7能够小到0.5mm。光纤19的直径93可以是250μm，纤芯91可比光纤9的纤芯91更多模。然后，间距17优选地比间距7长，例如在2mm到8mm的范围内。另外，挤压机构5和15中的至少一个可以是图3所示的形式，其中光纤9或19能够被形变为可具有均匀或啁啾式的间距7或17的螺旋。应该注意的是，这些机构5中的一个可由诸如具有偏移纤芯的接头的另一个模耦合设备代替。

如参照图1所示，装置10可包括附接到光束传输电缆2或构成光束传输电缆2的一部分的振动元件36。振动元件36可被配置为使光束传输电缆2振动。这对于从激光辐射13中去除激光散斑或从激光辐射13的输出光束轮廓14中去除热斑而言可以是有利的。振动元件36可以是压电元件或电磁元件。

图1中所示的光纤9和光纤19可以是参照图11、14、16、18和19所述的光纤90、140、160、180和190中的任一者。光纤9和光纤19可具有实心纤芯和包层，可具有额外的纤芯和包层(包括凹陷包层)，并且可在纤芯和/或包层内具有纵向延伸的孔。本讨论主要集中在LP₀₁基模到LP₁₁二阶模的耦合。然而，挤压机构5、15、40、50、60和82可被用于引起其他光模组之间的模耦合。

应当领会，以上参照附图描述的本发明的各实施例已经仅通过示例给出，且可以提供修改及附加组件来加强性能。附图中示出的个别组件不限于它们在附图中的用途，并且可以用在其他附图以及本发明的所有方面中。本发明还扩展到上文单独地或以任何组合方式提到和/或示出的个体组件。

Claims

1.一种用于激光加工材料的装置，所述装置包括激光器和光束传输电缆，其中：

·所述激光器被连接到所述光束传输电缆；

·所述光束传输电缆被配置为传输从所述激光器发射的激光辐射；以及·所述激光辐射由光束参数乘积限定；

并且所述装置的特征在于：

·所述装置包括包含由间距限定的周期性表面的至少一个挤压机构；

·构成所述激光器和所述光束传输电缆中的至少一者的一部分的一段光纤被定位成毗邻所述周期性表面；以及

·所述挤压机构被配置为用挤压力一起挤压所述周期性表面和所述一段光纤；

由此，能够通过调节所述挤压力来改变所述光束参数乘积，由此使得从所述光束传输电缆发射的激光辐射的输出光束轮廓能够从钟形光束轮廓调节为礼帽轮廓或环形轮廓。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周期性表面是啁啾式的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述挤压机构包括被布置成彼此成一角度的至少两个周期性表面。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述周期性表面具有相同的间距。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述角度是直角。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述角度为60度。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述挤压机构使得所述周期性表面中的一个周期性表面能够以与所述周期性表面中的另一个周期性表面不同的挤压力抵靠所述光纤被挤压。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述周期性表面的空间相位被配置为使得当所述挤压力被施加到所述周期性表面时，所述光纤以螺旋方式形变。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述挤压力使得所述光纤能够以小于1N的力被拉动穿过所述周期性表面。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括多个挤压机构。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述挤压机构中的至少一个挤压机构具有与所述挤压机构中的另一个挤压机构不同的间距。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述挤压机构是线性挤压机构。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述挤压机构包括圆柱体，所述光纤被缠绕在所述圆柱体上，并且所述挤压力沿着所述圆柱体的轴线被施加。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述间距沿所述圆柱体的半径或周长变化。

15.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤具有至少10μm的直径的纤芯。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述直径为至少15μm。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述直径为至少50μm。

18.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤包括具有小于或等于100μm的外径的玻璃。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述外径小于或等于80μm。

20.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述间距小于或等于8mm。

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述间距小于或等于6mm。

22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述间距小于或等于5mm。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述间距在0.5mm至4mm的范围内。

24.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤包括支持具有传播常数β₁的第一光模和具有传播常数β₂的第二光模的纤芯，并且所述间距被选择为当所述挤压力被施加时将所述第一光模耦合到所述第二光模。

25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述间距等于2π/(β₁–β₂)。

26.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述挤压机构使所述光纤沿其长度变形，所述变形由对称性限定，并且所述对称性被选择以使得其将所述第一光模耦合到所述第二光模。

27.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述挤压机构被配置为通过改变所述挤压力使得所述光纤的输出能够从所述第一光模被切换到所述第二光模。

28.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤包括支持具有传播常数β₁的第一光模的纤芯和支持具有传播常数β₂的第二光模的至少一个卫星纤芯，并且所述间距被选择以将所述第一光模耦合到所述第二光模。

29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，至少存在围绕所述纤芯的两个卫星纤芯。

30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于，至少存在围绕所述纤芯的四个卫星纤芯。

31.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述卫星纤芯是环形纤芯。

32.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述间距等于2π/(β₁–β₂)。

33.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述挤压机构使所述光纤沿其长度变形，所述变形由对称性限定，并且所述对称性被选择以使得所述第一光模能够耦合到所述第二光模。

34.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述装置包括过渡光纤，所述过渡光纤包括中心纤芯和至少一个卫星纤芯，所述卫星纤芯被配置为按照与在所述第二光模中传播的所述激光辐射的光束直径的扩大成不同比例地扩大在所述第一光模中传播的所述激光辐射的所述光束直径。

35.根据权利要求34所述的装置，其特征在于，在所述过渡光纤中至少存在四个卫星纤芯。

36.根据权利要求34所述的装置，其特征在于，所述过渡光纤中的所述卫星纤芯是环形纤芯。

37.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述装置包括含有中心纤芯的光束传输光纤，所述光束传输光纤包括输出端，从所述输出端发射所述激光辐射。

38.根据权利要求37所述的装置，其特征在于，所述光束传输光纤包括基座。

39.根据权利要求38所述的装置，其特征在于，所述光束传输光纤包括围绕所述中心纤芯的环形纤芯。

40.根据权利要求37所述的装置，其特征在于，所述装置包括锥体，其中所述锥体使得所述中心纤芯的直径向着所述输出端增大。

41.根据权利要求37所述的装置，其特征在于，存在两个所述挤压机构，第二挤压机构具有由间距限定的周期性表面，并且其中所述第二挤压机构的所述周期性表面被应用于所述光束传输光纤。

42.根据权利要求41所述的装置，其特征在于，所述第二挤压机构的所述间距大于第一挤压机构的所述间距。

43.根据权利要求41所述的装置，其特征在于，所述光束传输光纤支持具有传播常数β₁的基模和具有传播常数β₂的二阶光模，并且所述第二挤压机构的所述间距长于2π/(β₁–β₂)，并且从而所述第二挤压机构不将所述基模和所述二阶模耦合在一起。

44.根据权利要求41所述的装置，其特征在于，所述第二挤压机构的所述间距被选择以将能够在所述光束传输光纤中传播的更高阶模耦合在一起，从而产生更均匀的输出光束轮廓。

45.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括透镜系统，所述透镜系统被定位成接收来自所述光束传输电缆的所述激光辐射。

46.根据权利要求45所述的装置，其特征在于，所述透镜系统使得所述材料上焦斑的直径能够被改变。

47.根据权利要求46所述的装置，其特征在于，所述装置包括计算机和致动器，并且其中所述透镜系统和所述致动器中的至少一者由所述计算机控制。

48.根据权利要求47所述的装置，其特征在于，所述计算机包括存储器，所述存储器包括关于材料参数的信息。

49.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括被配置为从所述光纤接收所述激光辐射的加工头。

50.根据权利要求49所述的装置，其特征在于，所述装置包括第一光纤和第二光纤，所述第一光纤具有第一纤芯直径，并且所述第二光纤具有比所述第一纤芯直径大的第二纤芯直径，所述第二光纤位于所述加工头和所述第一光纤之间，所述挤压机构中的第一挤压机构被应用于所述第一光纤，并且所述挤压机构中的第二挤压机构被应用于所述第二光纤，由此在使用中在所述第一光纤中传播的所述激光辐射的光斑尺寸利用所述第一挤压机构被改变，并且所述激光辐射的轮廓利用所述第二挤压机构被改变。

51.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括附接到所述光束传输电缆或构成所述光束传输电缆的一部分的振动元件。

52.一种用于激光加工材料的方法，所述方法包括提供包括激光器和光束传输电缆的装置，其中：

·所述光束传输电缆被配置为传输从所述激光器发射的激光辐射；以及

·所述激光辐射由光束参数乘积限定；

以及调节所述挤压力以改变所述光束参数乘积并将从所述光束传输电缆发射的激光辐射的输出光束轮廓从钟形光束轮廓调节为礼帽或环形轮廓。

53.根据权利要求52所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：提供透镜系统，定位所述透镜系统以接收来自所述光束传输电缆的所述激光辐射，使用具有钟形光束轮廓的激光辐射冲孔所述材料，将所述输出光束轮廓调节为礼帽或环形轮廓，以及使用具有所述礼帽或环形轮廓的激光辐射切割所述材料。

54.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述透镜系统使得所述材料上焦斑的直径能够被改变，所述方法包括改变所述材料上所述焦斑的所述直径。

55.根据权利要求54所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供计算机，提供用于提供所述挤压力的致动器，以及通过所述计算机控制所述透镜系统和所述致动器中的至少一者。

56.根据权利要求55所述的方法，其特征在于，所述计算机包含存储器，所述存储器包括关于材料参数的信息。